* * *
ТЕХНОЛОГИИ R&T®
Нашими учеными было впервые обнаружено явление спонтанной самоорганизации в жидкостях и газах под действием сверхнизких концентраций ортоспинпротонных изомеров. Вещества, способные вызывать данный эффект представляют собой органические соединения, содержащие группы -СН2-, в которых атомы водорода имеют параллельный ядерный спин. Такие соединения были названы синергетиками.
Синергетики вводятся в органические жидкости и водные растворы в концентрации 0,5-1,0 ppm или в газы в составе летучих веществ при температурах 50-5000С в концентрации 1-2 ppb. Возникающая при этом самоорганизация молекулярного движения проявляется в появлении в жидкостях и газах динамических волновых структур и появлении перераспределения молекул по энергиям, существенно отличным от равновесного.
Исследования жидкостей проводились методами ИК-спектроскопии Фурье в дальнем инфракрасном диапазоне, комбинационного светорассеяния, а также определением изменения энергии активации по зависимостям вязкости от температуры. Газы исследовались акустическими методами.
В ходе экспериментов было выявлено, что в зависимости от концентрации синергетика энергия активации вязкого трения жидкостей снижается, достигая минимального значения, а затем, по мере увеличения концентрации возвращается к исходным значениям. Максимальное снижение энергии активации составляет 8 Дж/моль*К. Такую же величину дает смещение спектральных линий.
Также было установлено, что средний размер динамических кластеров составляет порядка 150 нм, что соответствует среднему расстоянию между молекулами синергетика в жидкостях. При исследовании газов было обнаружено, что наличие синергетиков в определенных концентрациях вызывает увеличение скорости звука в газовой фазе. Расчет адиабатической сжимаемости показал, что в пределе уменьшение теплоемкости газов составляет также порядка 8 Дж/моль*К.
Точный механизм рассматриваемого явления до конца еще не выяснен. В соответствии с наукой о самоорганизации – Синергетикой – необходимым условием существования устойчивых неравновесных состояний с пониженной энтропией является наличие в системе положительной обратной связи.
При этом поведение системы описывается системой дифференциальных уравнений с порядком не ниже второго, решениями которых являются динамические волновые процессы.
По всей видимости, именно молекулы синергетика выполняют функцию такой обратной связи за счет квантового заимодействия между орто-спинпротонными группами, а концентрации, в которых наблюдается эффект, соответствуют среднему расстоянию между молекулами синергетика, равному длине некоторой характеристической волны, при которой происходит их синхронизация, и коэффициент обратной связи оказывается больше единицы.
При этом в жидких средах длина характеристической волны определяется частотой колебаний групп -СН2- и скоростью распространения упругой волны, тогда как для газовых сред имеет место электромагнитная характеристическая волна, длина которой определяется скоростью света. Этим объясняется столь значительное – на три порядка –различие в эффективных концентрациях синергетика для жидкостей и газов.
Из полученных данных можно сделать выводы, что синергетик способен вызвать снижение энтропии среды, в которую он помещен, что может быть использовано на практике в самых различных областях. По сути, любая созидательная деятельность является борьбой с энтропией – главным врагом любой упорядоченности. В данном контексте под энтропией понимается мера хаоса, которая имеет вполне конкретное математическое значение. Приведем несколько примеров.
С позиции статистической термодинамики полная энтропия любой макроскопической системы равна натуральному логарифму всех возможных микроскопических состояний элементов, ее составляющих (S=lnW). В то же время классическая термодинамика определяет энтропию как отношение полной теплоты системы к ее абсолютной температуре (S=Q/T). Оба понятия энтропии синонимичны.
В равновесных системах, например в замкнутом объеме газа при определенной температуре, функция распределения молекул по энергиям стремится принять вид колоколообразной функции нормального распределения, когда число микросостояний молекул максимально. Если в таком газе произойдет самоорганизация с образованием динамических волновых структур, функция распределения молекул по энергиям примет более сложный вид с двумя, тремя и т.д. максимумами вместо одного.
В этом случае при той же средней температуре число микросостояний уменьшится, следовательно, уменьшится и энтропия. Такой газ можно рассматривать как несмешиваемую смесь двух, трех и т.д. газов с различными температурами. Весь объем этого газа окажется состоящим из объемных бегущих волн, чем-то наподобие движущейся калейдоскопической картины. И такой самоорганизованный газ будет обладать особыми свойствами.
В частности, у него будет пониженная теплоемкость, поскольку теплоемкость газа пропорциональна его энтропии, что следует из базовых постулатов термодинамики. Кроме того, в таком газе скорость звука будет больше, поскольку она пропорциональна адиабатической сжимаемости газа γ, которая равна отношению теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме (γ=Cp/Cv) и, в то же время, Cp=Cv+R, где R – универсальная газовая постоянная (R=8.314 Дж/моль*К). То есть γ=1+R/Cv, чем меньше теплоемкость, тем больше γ, соответственно тем больше и скорость звука при данной температуре.
Это имеет большое практическое значение, поскольку в большинстве тепловых машин с рабочим телом в виде газа (бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания, турбины и др.) именно адиабатическая сжимаемость определяет долю полезной работы, которую может совершить машина в данных условиях от общего количества теплоты, переданной газу.
Рассмотрим бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Известно, что работа такого двигателя описывается в идеале термодинамическим циклом Отто. Цикл Отто состоит из четырех процессов, следующих один за другим.
Это адиабатическое сжатие смеси паров бензина с воздухом при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней (от НМТ к ВМТ), горение при постоянном объеме, адиабатическое расширение продуктов сгорания при движении от ВМТ к НМТ с совершением полезной работы и выхлоп при постоянном объеме.
Этот цикл описывается системой дифференциальных уравнений, одним из решений которой является выражение для КПД цикла: η=(1-N1-γ)*100%, где η – КПД цикла в процентах, а N – степень сжатия. Не трудно рассчитать, что при теплоемкости продуктов сгорания Cp=40 Дж/моль*К и степени сжатия N=10 адиабатическая сжимаемость γ будет составлять около 1.2, а КПД около 36,9%. В реальных двигателях существуют дополнительные потери. Это потери на трение, на нагрев двигателя, неполное сгорание топлива.
В современных автомобилях эти дополнительные потери не превышают 2.5%, то есть КПД реального двигателя со степенью сжатия 10 составляет 34.4%. И любое техническое усовершенствование может 3 повысить КПД лишь в пределах этой разницы.
Однако если в топливо ввести синергетик с таким расчетом, чтобы к моменту начала движения поршня от ВМТ к НМТ он оказался в газообразных продуктах сгорания в эффективной концентрации, теплоемкость Cv должна снизиться, как следует из опытных данных, примерно до 32 Дж/моль*К, адиабатическая сжимаемость γ увеличится до 1.26, а КПД цикла возрастет до 45%.
Учитывая, что дополнительные потери в двигателе останутся на прежнем уровне, КПД реального двигателя, работающего на топливе с синергетиком, составит 42.5%. Поскольку при росте КПД снижение удельного расхода топлива определяется по формуле ΔG=(1- η1/ η2), оказывается, что расчетное снижение удельного расхода при использовании синергетика составит 19%. И это без каких-либо доработок двигателя!
Аналогичные расчеты для дизельных двигателей показывают, что в пределе снижение расхода топлива должно составить 25%.
Другим примером практической значимости синергетиков может быть работа водогрейных или паровых котлов. Здесь базовым показателем являются тепловые потери с уходящими газами. Поскольку температура уходящих газов, как правило, автоматически поддерживается на одном уровне (около1400С), снижение удельного расхода топлива за счет применения синергетика можно определить по формуле: ΔG=(1-Cv2/Cv1)*100%. Принимая Cv1=40 Дж/моль*К и Cv2=32 Дж/моль*К, получим ΔG=20%. И это опять же без переделки или перенастройки котлов!
Также следует отметить и другой аспект снижения энтропии – изменение состава отработавших газов. Известно, что при горении топлива помимо основной реакции окисления протекают побочные реакции, приводящие к появлению в отработавших газах токсичных компонентов – окислов азота и угарного газа.
Течение этих побочных реакций подчиняется основным законам термохимии, в которых фигурирует энтропия. Термохимические расчеты довольно сложны и здесь не приводятся, однако выводы таковы, что снижение энтропии продуктов сгорания должно однозначно приводить к снижению концентрации токсичных компонентов в продуктах сгорания.
Для практической проверки верности приведенных выкладок нами были разработаны топливные синергетики для бензина, дизельного топлива и мазута.
Различия между этими тремя видами продукта состоят в том, что содержание орто-спинпротонных изомеров в них рассчитаны, исходя из того, что при дозировке в топливо 10 мл/1 м3 их концентрация в газообразных продуктах сгорания должна составить определенную ранее эффективную концентрацию.
Все три типа были многократно испытаны как на стендах, так и в натурных условиях. Помимо топливной экономичности оценивалось влияние синергетиков на мощность двигателей, крутящий момент на валу, состав уходящих и выхлопных газов.
Статистическая обработка результатов многочисленных испытаний показала, что практические эффекты от применения синергетиков в основном совпадают с приведенными выше теоретическими выкладками.
Так для бензиновых двигателей наблюдается снижение удельного расхода топлива от 8 до 15%, увеличивается мощность и крутящий момент на 10-12%, содержание угарного газа в выхлопе сокращается на 20-30%, а оксидов азота на 20-30%.
Кроме того выявлено снижение эмиссии углеводородов на 15…20%, расхода масла на угар на 15-30% и увеличение моторесурса двигателей на 30-40%. Для дизельных двигателей снижение удельного расхода топлива составляет от 10 до 20%, увеличение мощности – 5-7%, снижение эмиссии угарного газа – 20-30%, оксидов азота – 15-20%.
Снижение расхода масла составляет 30-40%, снижение дымности выхлопа – до 40%, эмиссии углеводородов – на 30-40%, увеличение моторесурса двигателей – на 30-50%.
Испытания на мазутных котельных и печах показали снижение удельного расхода топлива на 10-20%, уменьшение эмиссии оксидов азота – на 20-30%. Также были выявлены:
- появление противотурбулентных свойств мазута с повышением его текучести в форсунках на 20-50%;
- рост температуры ядра факела на 100-2000С с одновременным укорочением факела без ущерба поверхностям теплообмена;
- очистка поверхности теплообмена от сажистых и зольных отложений;
- подавление низкотемпературной и высокотемпературной коррозии;
- очистка топливной аппаратуры, трубопроводов и стенок резервуаров от асфальто- смолистых отложений.
Примечательно, что рассчитанная для газовой фазы концентрация синергетика в мазуте совпала с его эффективной концентрацией для жидкости, чем и объясняются противотурбулентные и моющие эффекты, а также улучшение распыла.
Еще одним достижением наших ученых стала разработка синергетиков для водных сред. Изначально предполагалось, что эти препараты можно будет использовать в газовых и угольных котлах, распыляя водный раствор непосредственно в зону горения или в первичный воздух.
Затем появилось теоретическое обоснование эффекта повышения нефтеотдачи пластов при введении водного синергетика в пластовую воду, используемую для нефтевытеснения. Суть этого обоснования сводится к следующему.
При нефтевытеснении пластовой водой имеет место трехфазная система: порода-нефть-вода. В этой системе вода имеет значительно большее сродство с породой, чем нефть, поскольку все нефтеносные пласты состоят из гидрофильных соединений.
Нефть удерживается в порах твердой породы только за счет дисперсионных сил поверхностного натяжения, которые тесно связаны с энтропией – чем выше энтропия, тем труднее происходит вытеснение нефти водой. Следовательно, снижение энтропии хотя бы одного компонента системы должно сдвигать процесс нефтевытеснения в сторону облегчения.
Для проверки этой гипотезы нами был проведен ряд работ на реальных кернах нескольких месторождений. При правильном подборе концентрации синергетика дополнительный выход нефти составил от 7 до 15%.
Кроме того, было обнаружено резкое (в два-три раза) падение вязкости водонефтяных эмульсий, приготовленных на воде с синергетиком. Также наблюдалось заметное увеличение проницаемости керна.
Испытания водных синергетиков на угольных и газовых котлах выявили ожидаемые эффекты – снижение удельного расхода топлива и уменьшение токсичности уходящих газов.
Однако среднее снижение расхода топлива составило от 5 до 9%, что существенно ниже ожидаемого. Мы связываем это с проблемой равномерного распределения синергетика в газовой фазе. Она требует инженерного решения, над которым в настоящее время работают специалисты.
Пристальное изучение воды, содержащей синергетик в эффективной концентрации, позволило обнаружить еще один аспект ее свойств – высокую биологическую активность. Растения, которые хотя бы однократно поливали такой водой, развивались заметно быстрее контрольных.
Мы разработали синергетик для сельскохозяйственного использования, на основе соединений, применяемых в пищевой промышленности. Этот продукт полностью безвреден для растений, животных и человека.
Полевые испытания на сельскохозяйственных культурах показали, что обработка раствором синергетика посевов и развивающихся растений позволяет увеличивать урожайность овощей и зерновых на 10-15%, при этом существенно повышается сопротивляемость культур к различным заболеваниям.
В настоящее время нашей компанией в промышленном масштабе производятся топливные синергетики для бензиновых и дизельных двигателей, а также для мазутных котлов и печей с эффективной дозировкой 10 миллилитров на 1000 литров топлива.
Также мы производим водные синергетики для повышения нефтеотдачи с дозировкой 1 миллилитр на 1000 литров пластовой воды и синергетик для сельского хозяйства с дозировкой 1 миллилитр продукта на один гектар посевных площадей при однократном распылении или поливе.
- Вопросы?!?
- Звони: +7 926 606 86 48
_
3 423
